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Article de recherche

Caractérisation multi-échelle des dommages de fatigue dans l'enrobé tiède basée sur des essais de balayage d'amplitude linéaire et de flexion quatre points

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DOI :

10.3791/72348

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14 août 2026

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1RoadMainT Co., Ltd., 2Science and Technology Information Department, Zhejiang Communications Investment Group Expressway Construction and Management Co., Ltd.

Dans cet article

Résumé

Cette étude établit un cadre solide à plusieurs échelles reliant la mécanique de l'endommagement du liant à la performance en fatigue du mélange, démontrant que les paramètres du test de balayage d'amplitude linéaire associé au modèle simplifié de dommages viscoélastiques en milieu continu (LAS–S-VECD) fournissent une base fiable et fondée sur des mécanismes pour prédire et concevoir des systèmes de béton bitumineux à température réduite durables.

Résumé

La fissuration par fatigue est un facteur critique déterminant la durabilité à long terme des chaussées en asphalte, tandis que la relation multi-échelle entre le comportement en fatigue du liant et la performance en fatigue du mélange reste insuffisamment comprise pour les enrobés à température réduite (WMA). Dans cette étude, les caractéristiques de fatigue des WMA ont été systématiquement analysées à la fois aux échelles du liant et du mélange afin d'établir des corrélations quantitatives multi-échelles. Des essais au rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR) et des essais de balayage linéaire d'amplitude (LAS), interprétés à l'aide du cadre du dommage viscoélastique continu simplifié (S-VECD), ont été utilisés pour caractériser les propriétés rhéologiques et l'évolution du dommage de liants asphaltiques provenant de différentes origines de pétrole brut. La performance en fatigue à l'échelle du mélange a été évaluée par des essais de flexion en fatigue à quatre points sous contrôle de déformation. Les résultats montrent que le vieillissement augmente significativement la rigidité du liant et accélère la dégradation en fatigue, le facteur de fatigue G*·sin δ augmentant d’environ 150 à 250 % après un vieillissement à long terme. L'efficacité de la modification en WMA à l'échelle du liant dépendait fortement du liant, comme en témoigne une réduction de 8 à 13 % du coefficient de vitesse de dommage pour les liants A et B, mais une augmentation d’environ 11 % pour le liant C. Les indicateurs rhéologiques classiques tels que sin δ ont montré une capacité limitée et dépendante du matériau à prédire la durée de vie en fatigue du mélange, tandis que les paramètres de dommage dérivés des essais LAS–S-VECD ont présenté des corrélations systématiquement fortes avec la performance en fatigue à l'échelle du mélange. Dans l'ensemble, cette étude démontre que la caractérisation du dommage du liant basée sur LAS–S-VECD fournit une base solide pour prédire la résistance à la fatigue du mélange et soutient son application dans la formulation de mélanges fondée sur la performance, en vue de chaussées WMA durables et durables.

Introduction

La construction conventionnelle des chaussées en asphalte repose sur un traitement à haute température, généralement comprise entre 160 °C et 180 °C, et dépassant 190 °C pour les liants modifiés tels que l'asphalte modifié au caoutchouc et les bitumes polymères à haute performance. Dans des applications spécialisées, notamment les chaussées de ponts métalliques, les températures de mise en place in situ du mélange peuvent dépasser 200 °C1. Ces conditions thermiques extrêmes entraînent une consommation importante de combustibles fossiles et génèrent des émissions atmosphériques significatives, notamment des gaz à effet de serre et des vapeurs d'asphalte dangereuses riches en composés solubles dans le benzène et en hydrocarbures aromatiques polycycliques cancérigènes (par exemple, le benzo[a]pyrène)2,3. Des études antérieures ont montré de façon constante que la réduction des températures de production et de compactage de l'asphalte permet de diminuer la consommation de carburant, les émissions de CO₂ et l'exposition professionnelle aux vapeurs d'asphalte, bien que l'ampleur de ces avantages dépende du type de mélange, de la configuration de l'usine, de la dose d'additif et des conditions de construction sur site. Des études récentes ont approfondi la compréhension du comportement de l'asphalte sous diverses modifications et conditions d'utilisation. Il a été rapporté que l'ajout de lignosulfonate de calcium dans les mélanges d'asphalte peut efficacement retarder le vieillissement thermo-oxydatif en inhibant les réactions d'oxydation et en stabilisant la structure colloïdale des liants asphaltiques.

En ce qui concerne le comportement à la rupture, les études menées sur les enrobés à chaud (HMA) et les enrobés à température réduite (WMA) sous des conditions de chargement purement en mode I et en mode II ont démontré que le mode de chargement joue un rôle crucial dans la ténacité à la rupture à basse température et la dissipation d'énergie. La sensibilité à l'humidité a également été largement étudiée dans les systèmes d'asphalte modifié au caoutchouc, où les matériaux en caoutchouc recyclés améliorent la résistance aux dommages induits par l'humidité, et une teneur optimale en caoutchouc peut être déterminée par des approches combinées d'évaluation mécanique et économique. En ce qui concerne les performances à haute température, l'enrobé bitumineux à matrice verrouillée (SMA) modifié a été évalué à l'aide d'essais de fluage dynamique et de dispositif de suivi de roue de Hambourg, confirmant que la modification du mélange améliore significativement la résistance au roulement. De plus, des études basées sur la flexion en demi-cercle (SCB) sur des mélanges d'asphalte incorporant des additifs recyclés ont montré des améliorations notables de la résistance à la rupture en mode I et de la résistance aux dommages dus à l'humidité, mettant en évidence les effets synergiques des matériaux recyclés sur la performance en fatigue et la durabilité. Par conséquent, le développement de technologies d'asphalte à basse température s'est imposé comme une voie essentielle vers une construction durable de chaussées et des systèmes d'infrastructure respectueux de l'environnement.

La technologie des enrobés à température réduite (WMA), obtenue par l'ajout d'additifs chimiques, de cires organiques ou par des techniques de moussage, permet une production efficace du mélange à des températures généralement comprises entre 90 °C et 130 °C, soit une réduction de 30 à 50 °C par rapport aux enrobés chauds conventionnels (HMA)4. Au-delà de ses avantages bien documentés en matière de réduction de la demande énergétique et des émissions de polluants, le WMA joue un rôle clé dans l'atténuation du vieillissement thermo-oxydatif des liants asphaltiques pendant la production et la mise en œuvre. Le vieillissement de l'asphalte est régi par des cinétiques chimiques dépendantes de la température, les taux d'oxydation doublant approximativement pour chaque augmentation de 10 °C5,6. Les températures élevées accélèrent les réactions de volatilisation, d'oxydation et de polymérisation, transformant progressivement les maltènes en asphaltènes rigides, augmentant ainsi la rigidité du liant tout en réduisant sa ductilité7. En abaissant les températures de production, le WMA freine ces réactions néfastes, préserve la viscoélasticité du liant et pourrait améliorer la résistance à la fatigue à long terme8.

Bien que les avantages environnementaux et constructifs des enrobés à température réduite (WMA) aient été largement rapportés, les études systématiques sur leur performance en fatigue sous conditions de vieillissement restent relativement limitées. En particulier, les liants asphaltiques provenant de différentes sources de pétrole brut—telles que Karamay, les gisements offshore de CNOOC et les matières premières de CNPC—présentent des variations marquées en composition chimique, notamment en teneur en asphaltènes, en distribution des résines, en fractions aromatiques et en niveaux de saturés9. Ces différences compositionnelles sont largement reconnues comme des déterminants fondamentaux du comportement rhéologique, de la sensibilité au vieillissement et de la durabilité en fatigue10. Néanmoins, les études existantes sur la fatigue différencient rarement les liants selon l'origine du pétrole brut, ce qui conduit à une compréhension incomplète de la manière dont la chimie dépendante de la source gouverne la performance en fatigue, notamment sous un vieillissement cumulatif représentatif des conditions réelles d'utilisation11,12. D’un point de vue technique, une méthode fiable d’évaluation de la fatigue à l’échelle du liant serait particulièrement utile pour le criblage préliminaire des matériaux, le choix des additifs pour mélange à chaud, l’évaluation de la sensibilité au vieillissement et le contrôle qualité avant la vérification à l’échelle du mélange. Toutefois, le test LAS–S-VECD ne doit pas être considéré comme un substitut complet aux essais de fatigue sur mélange, car la granularité des granulats, les vides d’air, l’interaction liant-granulat, la qualité de compactage et le vieillissement sur site peuvent également influencer la performance en fatigue de la chaussée. Par ailleurs, la relation entre les indicateurs de fatigue à l’échelle du liant et le comportement en fatigue à l’échelle du mélange n’a pas été établie de façon concluante pour diverses sources d’asphalte13. Bien que des essais rhéologiques tels que le balayage linéaire d’amplitude (Linear Amplitude Sweep, LAS) se soient révélés prometteurs pour caractériser l’endommagement en fatigue du liant, leur fiabilité prédictive concernant la durée de vie en fatigue du mélange—en particulier pour des liants ayant des origines chimiques distinctes—n’a pas encore été suffisamment validée14. Ce décalage limite la précision des prédictions de performance basées sur des essais en laboratoire et restreint le choix rationnel des matériaux dans la pratique technique15.

Pour combler ces lacunes essentielles, cette étude mène une investigation complète et multi-échelle du comportement en fatigue de liants bitumineux modifiés à chaud provenant de trois sources distinctes de pétrole brut16. En combinant l'analyse par rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR), des essais de balayage linéaire en amplitude (LAS) dans le cadre du modèle de dommage viscoélastique continu simplifié (S-VECD), ainsi que des essais de fatigue en flexion à quatre points à l'échelle du mélange, ce travail évalue systématiquement l'influence de l'origine du pétrole brut, de la modification à chaud et du vieillissement sur la résistance à la fatigue17,18,19. Les résultats visent à établir des corrélations solides entre les propriétés rhéologiques du liant et les performances du mélange à différentes échelles, fournissant ainsi une base mécanistique pour la prédiction de la durée de vie en fatigue et offrant des recommandations pratiques pour la conception et le choix de matériaux bitumineux durables.

Cette étude présente un cadre de caractérisation de la fatigue à plusieurs échelles pour les enrobés à température réduite, en combinant une analyse du liant à l’échelle du matériau (LAS–S-VECD) avec des essais de fatigue en flexion à quatre points à l’échelle du mélange. Contrairement aux études antérieures, qui se concentraient principalement soit sur l’évaluation rhéologique du liant, soit sur l’évaluation des performances du mélange de manière isolée, ce travail établit un lien mécaniste direct entre la chimie du liant dépendante de la provenance du pétrole brut, la modification associée aux enrobés à température réduite et le comportement en fatigue du mélange dans des conditions de vieillissement. L’originalité de cette étude repose sur trois aspects : (i) l’intégration explicite de l’origine du pétrole brut comme variable déterminante de la performance en fatigue ; (ii) une corrélation systématique entre l’évolution de l’endommagement mesurée par la méthode LAS–S-VECD et la durée de vie en fatigue du mélange ; et (iii) une évaluation unifiée des effets de la modification pour enrobé à température réduite aux échelles du liant et du mélange. Les résultats montrent que les paramètres d’endommagement dérivés de la méthode LAS–S-VECD constituent des prédicteurs robustes de la performance en fatigue du mélange, offrant une alternative plus fondée sur les mécanismes aux indices rhéologiques conventionnels. Ces résultats établissent une base scientifique pour l’évaluation et la conception orientées vers la performance des systèmes d’enrobés à température réduite durables.

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Protocole

Matériaux
Les trois liants asphaltiques sélectionnés dans cette étude, résumés dans le tableau 1, sont des liants de chaussée représentatifs provenant de différentes sources de pétrole brut et sont largement utilisés dans l'ingénierie routière pratique en Chine. Les asphaltes Karamay, CNOOC 36-1 et PetroChina diffèrent nettement par leur origine brute, leur composition chimique, leur sensibilité au vieillissement et leurs caractéristiques rhéologiques, offrant ainsi une base matérielle appropriée pour étudier le comportement en fatigue dépendant de la source pétrolière. Leur sélection permet une évaluation comparative de l'influence de la composition intrinsèque du liant sur l'efficacité de la modification à température réduite et sur la performance en fatigue à l'échelle du mélange, renforçant ainsi la pertinence technique du cadre proposé de caractérisation de la fatigue à travers les échelles. Les origines géologiques détaillées et les caractéristiques chimiques de chaque liant sont les suivantes :

Liants A : Dérivé d'une charge pétrolière lourde de la zone 9, produit par un procédé de mélange de résidu sous vide et d'asphalte déhuilé. Son matériau de base présente des propriétés distinctives, notamment une faible teneur en paraffine (<2 %), une concentration minimale en soufre et une forte teneur en résines. À noter que l'asphalte de Karamay est le seul liant routier dont la masse volumique est inférieure à 1 g/cm3 dans les applications actuelles, et il se caractérise par une viscosité dynamique élevée ainsi qu'une excellente rétention de la ductilité après vieillissement. Ces caractéristiques le rendent particulièrement adapté aux régions soumises à de fortes variations thermiques journalières et à une exposition intense aux ultraviolets.

Liants B : Provenant du pétrole brut lourd rare extrait du champ pétrolier offshore de Suizhong 36-1, il présente un rendement élevé en bitume de 56 % après raffinage. La matière première est classée comme un pétrole brut lourd à base naphténique, déficient en soufre et à valeur acide élevée, ce qui confère au liant transformé une densité élevée (1,012 g/cm3), une faible teneur en paraffine (1,8 %) et des proportions élevées en résines. Ces propriétés confèrent au liant une excellente flexibilité à basse température, ce qui le rend avantageux pour des applications en environnement froid.

Liants C : Formulé principalement à partir de pétrole brut lourd de Boscan (Venezuela) comme matière première de base, avec un rendement de production de 60 % obtenu par des procédés de raffinage spécialisés. Ce pétrole brut présente des caractéristiques géochimiques uniques, notamment une teneur élevée en acides, des concentrations importantes de métaux lourds et un fort potentiel de formation de résidus carbonés. Le liant affiche une composition atypique en hydrocarbures, caractérisée par de faibles fractions d'hydrocarbures saturés, des complexes enrichis en résines et asphaltènes, et une teneur remarquablement faible en paraffines (1,3 %).

Dans cette étude, les trois liants bitumineux de base ont été désignés AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) et CO (PetroChina). Les liants correspondants pour enrobés à faible température (WMA) ont été préparés en incorporant l'additif Evotherm M1, codés respectivement AP, BP et CP20. Des indices complets de performance, incluant la pénétration, le point de ramollissement et la ductilité, ont été mesurés conformément aux spécifications JTG E20-201121, les données comparatives détaillées étant présentées dans le Tableau 1. Toutes les procédures expérimentales ont été rigoureusement suivies selon les protocoles normalisés décrits dans les Spécifications techniques pour les liants et les mélanges bitumineux en génie routier.

ProjetUnitéKaramayCNOOCCNPC
Pénétration0,1 mm (15 °C)222224
0,1 mm (25 °C)726871
0,1 mm (30 °C)112110116
PI－-1,14-1,2-0,81
TR&B°C4646,547,5
Viscosité dynamique (60 °C)Pa·s223,5230256,9
Ductilité (10 °C, 5 cm/min)cm>100>10052
Teneur en cire%1,91,81,3
Point d'éclair (COC)℃278287312
Solubilité%99,599,799,8
Densité (15 °C)g/cm³0,9771,0121,049
RTFOTChangement de masse (%)0,050,06-0,07
Rapport de pénétration résiduelle (%)66,267,464,8
Ductilité résiduelle (10 °C, cm)13129

Tableau 1 : Paramètres techniques clés des liants bitumineux. Le tableau 1 résume les paramètres techniques clés des liants bitumineux, notamment leurs propriétés physiques, leur sensibilité à la température, leurs caractéristiques rhéologiques et leur comportement en vieillissement à court terme, afin d'évaluer leurs propriétés fondamentales et leur durabilité.

Le processus de préparation du WMA impliquait un protocole rigoureusement contrôlé en plusieurs étapes, conçu pour garantir la reproductibilité de la modification du liant. Le liant bitumineux de base était d'abord chauffé dans une étuve à convection forcée à 135 ± 2 °C pendant 60 min afin d'obtenir un état fondu stable, suivi de 30 min d'équilibration pour éliminer les gradients thermiques. Tous les processus de chauffage étaient réalisés dans des récipients scellés avec une protection azotée (débit : 0,5 L/min) afin de minimiser le vieillissement oxydatif pendant la stabilisation thermique.

L'additif Evotherm M1 a ensuite été incorporé à 135 ± 2 °C sous agitation mécanique continue à 300 tr/min pendant 5 min avant le traitement à haute cisaillement, afin d'assurer une dispersion initiale de la phase tensioactive. Ensuite, un mélange à haute cisaillement a été effectué à l'aide d'un homogénéisateur rotor-stator à 3000 tr/min pendant 25 min, tout en maintenant la température du liant entre 135 et 140 °C à l'aide d'un système de contrôle de température par bain d'huile externe (précision ±1 °C). Tout au long du processus de mélange, la température a été surveillée en continu à l'aide d'un thermocouple étalonné de type K inséré dans la matrice du liant, et toute fluctuation dépassant ±2 °C a déclenché automatiquement un ajustement du chauffage. Le liant modifié a ensuite subi une procédure de refroidissement contrôlé jusqu'à 25 °C à un taux de 5 °C/min avant les tests ultérieurs ou un stockage à court terme. La conception du protocole de cisaillement s'est basée sur la relation viscosité-température des liants bitumineux, garantissant que tous les échantillons ont été préparés dans des conditions comparables d'historique de cisaillement. Ce contrôle strict thermomécanique assure une forte répétabilité et minimise la variabilité lors de la préparation des liants AMT.

Essais au rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR)
Afin de caractériser la réponse rhéologique et les propriétés liées à la fatigue des liants asphaltiques modifiés avec des additifs pour mélange à chaud, des essais au rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR) ont été réalisés à l’aide d’un rhéomètre rotatif à température contrôlée, conformément à la norme ASTM D717522. L’évaluation rhéologique s’est concentrée sur le comportement en fatigue à température intermédiaire, qui est étroitement associé à l’amorçage et à la propagation des fissures dans les chaussées asphaltiques.

Le facteur de fatigue G*sin δ23, largement reconnu comme un indicateur de la susceptibilité à la fatigue au niveau du liant, a été adopté pour quantifier les changements du comportement de dissipation viscoélastique induits par la modification à mélange tiède et le vieillissement. Des essais de balayage en température ont été réalisés dans une plage de 58 à 82 °C, avec des incréments de température de 6 °C. À chaque température cible, les éprouvettes ont été laissées à l'équilibre pendant 10 min avant l'acquisition des données afin d'assurer une stabilité thermique. Pour étudier l'influence du vieillissement sur les propriétés rhéologiques, les éprouvettes de liant ont été soumises à trois conditions de vieillissement : non vieilli, vieillissement par essai au four à film mince tournant (RTFOT), et vieillissement combiné RTFOT et en enceinte sous pression (PAV) 24. Ces protocoles de vieillissement ont été conçus pour simuler le vieillissement à court terme pendant la production et la mise en place, ainsi que le vieillissement à long terme pendant l'exploitation en service de la chaussée. L'évolution de G*sin δ en fonction de la température et des conditions de vieillissement a été analysée afin d'évaluer la résistance à la fatigue des différents liants.

Avant chaque essai DSR, l'échantillon de liant était soigneusement paré après son chargement entre les plaques parallèles afin d'assurer un profil de bord uniforme. L'échantillon était conditionné à la température cible pendant 10 min avant la mesure. Les essais étaient réalisés entre 58–82 °C par incréments de 6 °C. Un essai était considéré comme valide lorsque le couple mesuré et le déplacement restaient dans la plage de fonctionnement recommandée par l'appareil, et qu'aucun glissement visible de l'échantillon ne se produisait.

Essai de balayage d'amplitude linéaire (LAS)
La caractérisation du comportement viscoélastique a été réalisée conformément aux spécifications ASTM D7175 pour l'analyse mécanique dynamique25. La méthodologie expérimentale comprenait des balayages en amplitude de déformation afin de déterminer les limites viscoélastiques linéaires, suivis d'essais contrôlés en fréquence à 10 rad/s26. Les évaluations dépendantes de la température ont couvert le spectre de températures opérationnelles des chaussées en bitume (58–82 °C), effectuées par incréments de 6 °C avec un temps de 10 minutes autorisé pour atteindre l'équilibre thermique à chaque palier isotherme. Le protocole AASHTO T391 a été utilisé pour quantifier l'accumulation de dommages dans le liant par l'évolution de l'énergie dissipée, en surveillant spécifiquement le facteur de dissipation viscoélastique (|G*|sin δ) pendant le chargement cyclique 27,28. Le cadre simplifié de dommage viscoélastique continu (S-VECD) a été adopté pour prédire les schémas de dégradation des composites bitumineux29. Le protocole LAS effectue un balayage oscillatoire d'amplitude à une fréquence fixe de 10 Hz, en appliquant une progression contrôlée de la déformation de 0,1 % à 30 % par incréments de résolution de 0,1 %.

Les paramètres viscoélastiques clés ont été déterminés à l'aide des équations suivantes :

log G « (ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

Équation d'équilibre statique, formule a = 1/m ; utilisation pédagogique dans les études de physique et de mathématiques. (3)

où G''(ω) est le module de perte, ω est la fréquence angulaire, m et b sont des coefficients d'ajustement, G'(ω) est le module de conservation, G*(ω) est le module complexe, δ(ω) est l'angle de phase, et est l'indice de viscoélasticité.

La quantification des dommages a utilisé la relation fondamentale exprimée dans l'équation (4) :

Équation des conditions d'équilibre statique ; formule de sommation ; variables N, r, C ; diagramme mathématique.(4)

Dans la formule : C(t)—le paramètre d'intégrité, C(t)=G^* (t)/G^* (initial), G^* - module complexe (MPa) ;

γ_0—Application de la déformation (%) ;
t—Durée du test (s)

L'évolution temporelle du critère de dommage D(t) et du coefficient d'intégrité structurale C(t) est paramétrée mathématiquement à l'aide d'une relation constitutive en loi de puissance (Yuan 2024) :

C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)

Dans la formule : C0 représente le paramètre d'intégrité initial (généralement égal à 1) , C1, C2—paramètres d'ajustement.

Calculer la valeur de l'endommagement par fatigue en utilisant le concept du point de pic de contrainte de cisaillement :

Équation de durée de vie en fatigue Df=(C0-Cpeak stress/C1)^1/C2 pour l'analyse de contrainte des matériaux. (6)

Cpeak est le paramètre d'intégrité correspondant au point de contrainte de cisaillement maximale.

La formule de calcul de la durée de vie en fatigue est :

Nf = A(γmax)-B (7)

Dans la formule : A, B — coefficient lié à la fatigue,

A = f × (Df)[1 + (1 - C2 )a] / {[1 + (1 - C2 )a] × (πC1 C2 )a} (8)

B=2a, fréquence de chargement ;
γmax — niveau de déformation maximal attendu (%)

Afin de garantir la fiabilité et la reproductibilité des résultats expérimentaux, tous les essais à l'échelle du liant et à l'échelle du mélange ont été réalisés avec au moins 3 réplicats indépendants (n = 3) par condition. Les résultats rapportés représentent les valeurs moyennes des mesures répétées. La variabilité des données expérimentales a été évaluée à l'aide de l'écart type (SD), et des barres d'erreur sont fournies dans toutes les figures pertinentes afin de refléter la dispersion statistique. Pour les paramètres LAS–S-VECD, les indices rhéologiques du DSR et la durée de vie en fatigue issue des essais de flexion à quatre points, le coefficient de variation (COV) a été calculé en complément afin d'évaluer la cohérence des données.

Dans tous les cas, des différences statistiques entre les liants modifiés et non modifiés ont été examinées afin de s'assurer que les tendances observées ne sont pas dues à une dispersion expérimentale, mais qu'elles représentent des différences statistiquement significatives en matière de fatigue et de comportement rhéologique.

Essai de fatigue en flexion à quatre points
Afin de valider les indicateurs de fatigue au niveau du liant et d'établir des corrélations multi-échelles, des essais de fatigue en flexion à quatre points ont été réalisés sur des mélanges bitumineux préparés selon une granulométrie AC-16C30,31. La granulométrie des granulats, leur densité apparente, leur masse volumique apparente et leur absorption d'eau pour chaque classe granulaire, ainsi que les propriétés de la charge minérale, sont résumées dans le Tableau 2. La teneur en bitume de tous les mélanges a été fixée à 4,8 % afin d'assurer une cohérence entre les différentes formulations de matériaux bitumineux à température réduite (WMA).

Taille du tamis (mm)Catégorie d'agrégatGranulométrie synthétique (%)
1# (10~20mm. 29%)2# (5~10mm. 29,2%)3# (3~5mm. 17%)4# (0~3mm. 19%)Poudre minérale (5,8%)
0,07500,100,990,85,5
0,150,10,104,995,36,5
0,30,10,201398,78,3
0,60,10,2025,299,710,6
1,180,10,2047,810015
2,360,10,5010010025
4,750,815,598,910010046,4
9,515,299,510010010075,2
13,268,499,810010010090,8
1694,810010010010098,5
19100100100100100100
Densité relative apparente2,8992,9182,8452,7542,8722,865
Densité relative SSD2,8542,8472,8162,691－2,814
Gravité spécifique en vrac2,8292,812,82,655－2,787
Taux d'absorption d'eau de l'agrégat (%)0,851,320,561,36－－

Tableau 2 : Classification des granulats dans le mélange d’enrobé à chaud à température réduite. Le tableau 2 présente la granulométrie des granulats du mélange d’enrobé à chaud à température réduite, incluant les proportions des différentes fractions de granulats, la teneur en poudre minérale, la courbe granulométrique synthétique et les propriétés physiques des granulats. Ce tableau expose la distribution granulométrique conçue ainsi que les caractéristiques fondamentales des granulats utilisés dans le mélange d’enrobé.

Des essais de fatigue en flexion quatre points ont été réalisés à l’aide d’un appareil d’essai Cooper dans des conditions de chargement contrôlé en déformation afin d’évaluer la durabilité à la fatigue des mélanges d’enrobé à chaud (WMA)32. Le critère de rupture a été défini comme le nombre de cycles de chargement nécessaires pour que la rigidité en flexion diminue jusqu’à 50 % de sa valeur initiale. Conformément au protocole d’essai établi33, un chargement cyclique a été appliqué sous forme d’une onde sinusoïdale continue à une fréquence de 10 Hz dans des conditions isothermes de 15 °C. Tous les essais ont été effectués sans périodes de repos afin de garantir une introduction d’énergie ininterrompue pendant le chargement en fatigue34,35.

Des éprouvettes en forme de poutre ont été fabriquées conformément aux exigences dimensionnelles normalisées, avec une longueur de 381 ± 6,35 mm, une largeur de 63,5 ± 6,35 mm et une hauteur de 50,8 ± 6,35 mm3637. En conditions de déformation contrôlée, la performance en fatigue a été caractérisée en traçant des courbes caractéristiques de fatigue pour des éprouvettes présentant différentes formulations d’enrobés à faible température (WMA) dans un système de coordonnées doublement logarithmique38. Une relation constitutive de type loi de puissance a ensuite été établie, et une analyse de régression non linéaire a été utilisée pour ajuster les données de fatigue des divers mélanges d’asphalte, fournissant ainsi la base pour la modélisation ultérieure de la durée de vie en fatigue et pour l’analyse comparative39,40,41. L’éprouvette en poutre a été montée symétriquement dans le dispositif de flexion à quatre points, et le contact entre les pinces de chargement et la surface de l’éprouvette a été vérifié avant l’application de la charge. L’essai a été réalisé à 15 °C sous chargement sinusoïdal à déformation contrôlée à 10 Hz, sans périodes de repos. Le point final de l’essai a été défini comme le nombre de cycles auquel la rigidité en flexion a diminué jusqu’à 50 % de sa valeur initiale. Les essais ont été considérés comme valides lorsque la rupture s’est produite dans la section utile, et qu’aucun glissement anormal des pinces ni aucune rupture brutale non liée à la fatigue n’a été observé. Toutes les données quantitatives sont présentées sous la forme moyenne ± écart-type (moyenne ± SD), avec une taille d’échantillon n = 3 pour tous les groupes expérimentaux, sauf indication contraire.

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Résultats

Propriétés rhéologiques des enrobés à température réduite
La zone interfaciale entre le bitume et les granulats est largement reconnue comme le site principal d'initiation des fissures de fatigue. En conséquence, le paramètre rhéologique lié à la fatigue G*sin δ, mesurée à des températures intermédiaires de service, a été utilisée pour évaluer les performances en fatigue des liants d'enrobés bitumineux à température réduite (WMA). Figure 1

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Discussion

Cette étude propose un cadre d'évaluation de la fatigue à plusieurs échelles intégrant des essais de balayage linéaire en amplitude (LAS) au niveau du liant avec le modèle de dommage viscoélastique continu simplifié (S-VECD) et des essais de fatigue en flexion à quatre points au niveau du mélange, afin d'établir un lien mécanistique entre l'évolution du dommage du liant bitumineux et les performances en fatigue du mélange. Contrairement aux approches conventionnelles d'évaluation de la fatigue qui reposent principalement...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu'ils n'ont aucun conflit d'intérêts.

Remerciements

Nous remercions le Département des transports de la province du Zhejiang pour le projet majeur de R&D projet. Cette recherche a été financée par une subvention majeure R&Projet #38;D du Département des transports de la province du Zhejiang (ZJXL-SJT-202316A).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Liant A / AO, bitume de KaramaySource de pétrole brut de Karamay, ChineN/ALiant bitumineux de base
Liant B / BO, bitume CNOOC 36-1Source de pétrole brut offshore CNOOC 36-1, ChineN/ALiant bitumineux de base
Liant C / CO, bitume PetroChinaSource à base de pétrole brut vénézuélien Boscan de PetroChinaN/ALiant bitumineux de base
Additif pour mélange à température réduite Evotherm M1Ingevity / MeadWestvacoEvotherm M1Additif pour la préparation de liants de mélange à température réduite
Rhéomètre à cisaillement dynamiqueMalvernKinexus DSR+Utilisé pour les essais de balayage en température DSR et les essais LAS
Appareil d'essai en four à pellicule mince tournanteShanghai ChangjiSYD-0610Utilisé pour le vieillissement à court terme
Enceinte de vieillissement sous pressionInstroTekPAV-9300Utilisée pour le vieillissement à long terme
Système d'essai de fatigue en flexion à quatre pointsCooper Research TechnologySA4PTUtilisé pour les essais de fatigue en déformation contrôlée des mélanges
Cadre d'analyse S-VECDanalyse de donnéesN/AUtilisé pour calculer les paramètres de dommage dérivés de l'essai LAS
Logiciel d'analyse de donnéesOriginOriginPro 2024Utilisé pour l'ajustement par régression, l'analyse de corrélation et la réalisation de graphiques

Références

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